elektrisk maskin

Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av en dynamo (likestrømsmaskin). Anker med kommutator og vikling er montert på en aksel. Når dette dreies rundt i pilens retning, vil ankerviklingens to ledere skjære kraftlinjene som går fra nordpolen inn i ankeret og fra ankeret inn i sydpolen, og det induseres en spenning. I lederen under sydpolen vil den induserte spenningen i dette tilfelle være rettet ut av papirets plan. I lederen som samtidig befinner seg under nordpolen, vil den ha motsatt retning. På grunn av ledernes symmetri i forhold til polsystemet, vil spenningene som induseres i de to ledere, være like store, og de vil adderes.

Under en full omdreining vil den induserte spenningen skifte retning i lederne, mens strømretningen i den ytre strømkrets beholdes. Denne likerettingen eller kommuteringen av spenningen er oppnådd ved hjelp av kommutatoren. Børstene på kommutatoren kortslutter segmentene to ganger i løpet av en omdreining. Kortslutningen skjer i et øyeblikk da det ikke induseres spenning i lederviklingene, fordi de da ikke skjæres av kraftlinjer. Lederne befinner seg i den nøytrale sone, som i fig. 1 er det horisontale plan gjennom ankerets sentrum.

Midt under polen er kraftlinjetettheten størst, her induseres derfor den største spenning. Tettheten avtar mot den nøytrale sone. Den induserte spenningen er proporsjonal med kraftlinjetettheten i det punktet der lederne i øyeblikket befinner seg. Fig. 5. viser spenningen i ankerlederne som funksjon av bevegelsen. I den ytre strømkrets vil spenningen forløpe som i Fig. 7. Maskinen avgir en likestrømsspenning mellom børstene, som er forbundet, og spenningen fremkaller en strøm i den ytre strømkrets som pulserer på samme måte som spenningen.

En jevn likestrøm oppnås ved at den enkle trådbøylen (lederen) erstattes med en vikling som består av mange vindinger jevnt fordelt over ankeromfanget, og ved at man forbinder vindingene med et stort antall kommutatorsegmenter. På denne måten oppnås en strøm som vist i Fig. 8.

Viklingen består oftest av isolerte kobberstaver anbrakt i spor i ankeret, som igjen er sammenbygd av tynne, spesiallegerte jernplater (dynamoblikk) som er isolert fra hverandre for å redusere induksjonsstrømmer (virvelstrømmer) med derav følgende tap i ankerjernet. Kommutatorens segmenter er isolert fra hverandre med glimmer el.l. Børstene er som regel av kull eller grafitt. Maskiner bygges som regel med flere enn ett polpar for å utnytte materialet bedre. Polsystemet utføres vanligvis med elektromagneter.

Når børstene (jfr. fig. 1) er forbundet til en vikling omkring magnetsystemet (jfr. fig. 4), vil likestrømmen som flyter i viklingen fremkalle magnetismen som er nødvendig for at ankerviklingen skal gi spenning. Magnetviklingen kan utføres med mange vindinger av tynn tråd og forbindes med børstene som i fig. 4. Magnetviklingen er koblet parallelt (i shunt) med belastningen. Slike elektriske maskiner kalles shuntmaskiner. Magnetismen er uavhengig av belastningsstrømmen, og ved konstant omdreiningshastighet vil maskinen gi noenlunde konstant spenning, praktisk talt uavhengig av belastningsstrømmen.

I seriemaskiner er magnetviklingen koblet i serie med belastningsstrømmen slik at magnetiseringen, og derved maskinens spenning, er avhengig av denne. Compound-maskiner er elektriske maskiner med både shunt- og serievikling.

Vekselstrømsmaskiner er i prinsipp bygd som likestrømmaskiner, men uten kommutator. Strømmen sendes ut i nettet slik den fremstilles i ankerlederne, med vekslende retning. Maskinen i fig. 1 blir en vekselstrømsmaskin hvis ankerviklingens ender forbindes med sleperinger, se fig. 6.

Av praktiske grunner bygges vekselstrømsmaskiner med faststående anker, kalt stator, og med roterende magnetsystem, rotor eller polhjul. En stasjonær ankervikling kan lettere isoleres, mens den relativt lille magnetiseringsstrøm uten vanskelighet kan tilføres magnetviklingen over to sleperinger. En slik maskin kalles en synkronmaskin fordi polfeltet og ankerfeltet alltid følger hverandre derfor betegnelsen synkron. Maskinene bygges ofte for høyere spenninger, 15 000 volt og mer, og viklingselementene må sikres mot de mekaniske påkjenningene som oppstår ved kortslutninger i nettet eller ved plutselige belastningsendringer.

En generator som er koblet til et ledningsnett, må tilføres mekanisk energi som tilsvarer energien den avgir, i tillegg må de elektriske og mekaniske tap som oppstår i maskinen dekkes. Virkningsgraden er forholdet mellom avgitt og tilført. Denne varierer etter maskinens størrelse, for større maskiner mellom 0,95 og 0,97, og er alltid mindre enn 1,0 (100 %). En elektrisk maskins ytelse er gitt ved de elektriske og mekaniske påkjenninger materialet tåler, og ved oppvarmingen som oppstår på grunn av tapene i maskinen og som isolasjonsmaterialene tåler. Det foreligger norske og internasjonale normer som fastsetter tillatelig oppvarming for de forskjellige sorter isolasjonsmaterialer.

En trefasestrøm fås ved at man kobler ankerledere på en bestemt måte: Fig. 2 viser en topolet synkronmaskin. Fra hver av spolene kan man føre ut to ledninger på tre uavhengige enfasenett. Dreies polhjulet rundt, vil det i hver av viklingene oppstå spenninger forskjøvet i forhold til hverandre. Spenningskurven i spolene blir som i fig. 5. Endene i de tre spolene kan forbindes, og man kan sløyfe tre av seks ledninger. På denne måten fås et såkalt trefasesystem. Koblingen kalles stjernekobling.

Trefasemaskinen medfører bedre materialutnyttelsen enn enfasemaskiner. En annen stor fordel er at summen av de tre spolenes felter resulterer i et felt som forskyver seg rundt omfanget med samme hastighet som polhjulet, i motsetning til enfasestrømmens felt, som bare pulserer i ett plan. Trefasestrøm forårsaker på den måten et dreiefelt, noe som er viktig når maskinen skal brukes som motor. Trefasestrøm tilført en trefaseviklet stator vil fremkalle et dreiefelt som vil søke å trekke polhjulet med seg. Synkronmotorens polhjul, eller rotor, er vanligvis utført med vikling for magnetisering. Rotoren kan ha utpregede poler, eller viklinger kan være anbrakt i spor som i statoren.

For produksjon av elektrisk kraft i kraftstasjonene benyttes nå praktisk talt alltid trefase synkrongeneratorer.

utføres enten som synkronmotor eller synkrongenerator brukes til elektrisitetsforsyning og for de fleste industrielle formål

utføres enten som asynkrongenerator eller asynkronmotor

Kortslutningsmotorer er asynkronmotorer med kortsluttet rotorvikling. Motorene er robuste og driftsikre og har ingen utvendig strømførende deler i rotor. De brukes særlig for små og midlere ytelser, og ved anlegg der nettet tåler store startstrømmer, f.eks. industrianlegg. Rotorviklingen består vanligvis av kobberstaver som ligger i spor, og som er kortsluttet i begge ender ved kobberringer, delvis også av aluminium direkte støpt inn i rotor. Ved spesiell utforming av rotorviklingen (dobbeltbur, høystav osv.) kan man til en viss grad påvirke startstrøm og startmoment.

Sleperingsmotorer er asynkronmotorer der rotorviklingene er ført ut på sleperinger (fig. 6), en slepering per fase. Sleperingene er montert på rotorakslingen og muliggjør tilkopling av ytre resistanser for å begrense rotorstrømmen og dermes tilført strøm. Dette er spesielt aktuelt i startøyeblikket når belastningen på motoren er stor og strømmen vil således bli høy.

Lineærmotor er en spesialutførelse av induksjonsmotoren for rettlinjet bevegelse. Den kan betraktes som en utbrettet sylindrisk motor og består av en flat stator som beveger seg langs en skinneformet leder (rotor). Den egner seg bl.a. for skinnetransport ved høy hastighet, idet kraftoverføringen skjer magnetisk uavhengig av hjul og friksjon.

Enfase kondensatormotor er en asynkron kortslutningsmotor som brukes på enfase vekselspenninger. Motoren har normalt to viklinger som ligger mekanisk forskjøvet i forhold til hverandre på stator, og som får spenning fra samme vekselspenning. Den ene viklingen blir tilkoplet vekselspenningen via en kondensator. Derved får denne faseforskjøvet strøm og felt i forhold til den andre viklingen. Dette gir et resulterende dreiefelt omtrent som i den trefase asynkronmaskinen. Men virkningsgraden er ikke så god og maskin brukes for midlere og små effekter.

Er en helt vanlig asynkron kortslutningsmotor, der den tredje fasen blir tilkoplet en kondensator, som betegnes en motorkondensator. Da vil denne motoren enkelt tilkoples på en vanlig stikkontakt og støpsel, ofte omtalt som schukokontakt. Denne kondensatoren må beregnes etter motorens størrelse. Typisk eksempel på slike motorer er i sagbord og

Skjermpolmotoren er en annen type enfase asynkron kortsluttmotor, der stator har to utpregede poler hvor det er lagt inn en kortsluttet ring i den ene kanten av hver pol. Feltet som blir generert av motorviklingen og som går gjennom polene og rotor, vil bli forsinket under de to ringene innlagt i polene. Dette gir et felt i rotor som dreier seg, og rotoren vil rotere som i andre kortsluttmaskiner. Virkningsgraden er dårlig, men motoren er meget enkel og billig slik at den brukes for små effekter. Typisk eksempel er pumpemotor i vaskemaskiner.

Universalmotoren er i prinsippet en likestrøms seriemotor. I likestrømmotorer bestemmes momentretning (kraftretning) av feltretning og strømretning i rotor (ankeret). Skifter en av disse retning, endres kraftretningen. Dersom begge skifter retning samtidig forblir kraftretningen den samme. Derved kan denne likestrøms seriemotoren også brukes som vekselstrømsmotor. Ved dette bruk vil imidlertid strøm og felt variere i størrelse pga. den varierende spenningen. Dette gir børsteproblemer og oppvarming av jernkretsen. Maskinen må derfor konstrueres spesielt for vekselstrøm og kalles da universalmotor. Motoren brukes bl.a. i hobbydrill, pussemaskin, hårtørrer og i hekktrimmer.

Reluktansmotoren har en stator med viklinger som gir et magnetisk dreiefelt slik som i asynkron- og synkronmaskinen. Rotoren har burvikling som i en asynkron kortsluttmotor, men deler av rotorblikket er tatt bort slik at rotor får fremstikkende eller utpregede poler. Motoren starter som asynkronmotor pga. burviklingen. Når rotor nesten går synkront, vil rotorpolene trekkes inn i linje med dreiefeltet slik at den magnetiske motstand eller reluktans blir et minimum. Herav navnet reluktansmotor. Motoren vil derved gå som synkronmotor.

Hysteresemotor har en rotor med hardt magnetisk materiale med stor hysterese. Stator har viklinger som gir et dreiefelt. Dette dreiefeltet vil indusere spenning og strøm i rotor. Strømmene vil sammen med dreiefeltet fra stator gi dreiemoment og akselerasjon som i en asynkronmotor. Når rotor nærmer seg synkron hastighet, avtar virvelstrømmene, og rotor utvikler faste magnetiske poler som et resultat av det harde magnetiske materialet i rotor. De faste magnetiske polene i rotor vil så låse seg til de motsatte magnetpolene fra stators dreiefelt og rotere synkront med dette. Motoren er dermed en synkronmotor.

Elektronikkmotoren kan betraktes som en elektronisk kommutert likestrømmaskin. Rotorviklingen ligger i stator, og børster og lameller er byttet ut med transistorer. Rotor er vanligvis en permanentmagnet og typisk bruk er i hobbydroner.

Trinnmotor (på engelsk: stepmotor) roterer en bestemt del av en omdreining (trinn) for hver likespenningspuls som motoren påtrykkes. Typiske dreievinkler er 0.72°, 1.8° eller 5° per trinn. Det kan oppnås flere tusen trinn per sekund og omdreining. Typiske bruksanvendelser er i industriroboter og verktøymaskiner og på engelsk betegnes denne som stepper motor.